Stochastic Finite Element Analysis of Plate and Shell Construction

The response of random plate and shell construction is analyzed with the stochastic finite element method (SFEM). Random material properties and geometric dimensions of construction are involved in this paper. A simplified isoparametric local average model is used to describe the random field. Numerical results of the examples indicate that the approach presented herein is an economical and efficient solution for such an analysis compared with Monte Carlo simulation (MCS).

MODES COMPUTATION AND ANALYSIS FOR LONG MULTI-SPAN BUNDLE CONDUCTORS OF POWER TRANSMISSION LINES WITH GALLOPING CONTROL DEVICES

A new type of element which is suitable for solving the modes of thegalloping long multi-span bundle conductor structures is presented. The element is composed of allsub-conductor segments between two spacers. Based on the linearized governing differential equationsof the conductors, the mass matrix and stiffness matrix of the element in consideration of theconstrained relations imposed on the conductors by spacers are derived. The dynamic characteristicsof the galloping control devices can be directly added to the element. The modes for an actual powerline structure are computed by using the element formula and FEM procedures, where seven cases ofdifferent galloping control device allocations are considered. Compared with the measured data, themethod is shown to be reliable and effective. Analysis and discussions of the computational resultsare given. Some hints that are helpful to further investigation of galloping are also obtained .

基于响应面法和ARO算法的桥梁有限元模型修正

针对桥梁结构模型修正过程中计算量大、全局寻优难等问题,提出一种基于响应面法和人工兔优化算法(artificial rabbits optimization, ARO)的桥梁有限元模型修正方法。该方法通过F检验法明确对结构响应影响显著的参数并建立响应面模型作为桥梁有限元模型的代理模型进行迭代计算,然后通过静动力联合修正法基于特征响应的响应面模型计算值和试验值构建目标函数,并通过人工兔优化算法对目标函数进行迭代计算进而获得精确的有限元模型参数。采用该方法对变截面连续刚构黄河特大桥有限元模型进行修正,结果显示:基于显著性分析结果建立的桥梁响应面模型相关系数大于0.98,且平均绝对误差低于0.05;模型修正后主梁关键截面竖向位移最大相对误差由32.97%降至5.72%,平均相对误差由20.67%降至3.61%,桥梁前3阶竖向自振频率平均相对误差仅为0.18%。可见,采用所提方法修正的模型能用于评价桥梁结构实际受力性能。

基于响应面法与遗传算法的梁式桥有限元模型更新

为了使自主开发的智能健康监测平台产生的海量监测数据利益最大化,在平台中添加结构分析模块,扩大平台的应用范围。针对有限元模型分析的准确性与可靠性,提出一种将响应面法和遗传算法相结合的有限元模型更新方法。首先,根据设计资料建立结构理论有限元模型并确定结构更新参数;其次,采用中心复合试验设计方法获取样本点并计算结构响应;接着,基于逐步回归分析进行显著性检验并利用最小二乘法拟合得到更新参数与特征响应之间的响应面函数关系;最后,联合结构静动力响应构造目标函数,利用遗传算法对其进行迭代优化求解,并将最优解代入理论有限元模型中,从而实现结构有限元模型更新。以简支梁为例,选择以弹性模量和截面惯性矩为更新参数,以频率和位移为结构响应,结合动静载试验结果,对其进行有限元模型更新,验证所提方法的有效性。结果表明:模型更新后的有限元模型计算分析结果与实测值的相对误差大幅度降低,且计算值更加接近于实测值。基于响应面法与遗传算法的有限元模型更新方法可以为智能健康监测平台提供更加准确的有限元模型,对损伤识别和预警评估等模块提供了便利。

基于实测频率振型的大跨斜拉桥响应面模型修正研究

为了验证基于实测频率和振型的响应面模型修正方法的准确性与可行性,以某大跨斜拉桥为工程背景,分别进行静载试验和环境激励下的模态测试。以竖向前4阶实测频率及振型作为状态变量,选取合理的修正参数,进行中心复合试验设计;采用考虑交互项的响应面模型进行数据拟合,并计算参数R^(2)值的范围,进行精度检验;分析频率及振型的改变率,将修正后模型的挠度与实测挠度进行对比,验证该模型修正的准确性。结果表明:在参数范围内,各响应面模型的R^(2)值均接近于1,拟合精度较高;修正后模型的频率与振型均接近实测值,能准确反映桥梁的动力特性;修正后模型的挠度计算值与实测值最大误差不超过7.98%,满足工程精度要求,能够真实反映大跨斜拉桥的工作状态。研究证明了基于实测频率与振型的响应面模型修正方法对大跨斜拉桥的适用性和可行性,可为实际工程中类似桥梁的模型修正提供参考。

有限元法计算地下电缆稳态温度场及其影响因素

为了更准确地模拟地下电缆的敷设环境,克服传统方法需要大量试验研究的不足,基于有限元法和传热学的基本原理,采用有限单元自动划分法建立了地下电缆稳态温度场模型。该模型综合考虑了电缆敷设条件和外界环境因素对电缆稳态温度场分布的影响,并可根据这些因素的变化对相关模型参数进行修改,进而准确分析电缆各层及其周围敷设区域的稳态温度场分布情况。根据电缆结构参数、损耗参数和敷设区域的物性参数,提出了一种基于二分法的电缆导体温度计算方法,实现了导体温度的快速准确计算。通过实例分析得出了不同影响因素对电缆温度场分布的影响规律,并分析了不同影响因素对计算准确性、可靠性的影响情况,为优化电缆敷设方式提供了重要的理论依据。

500kV输电塔线覆冰有限元计算

输电塔线体系中铁塔的纵向不平衡张力是危害输电线路安全稳定运行的重要因素之一。为有效计算由档距、高差和不均匀荷载引起的纵向不平衡张力,应用梁单元和索单元建立了输电铁塔和导线整体单元模型。对输电塔线体系结构覆冰荷载进行有限元计算后得到了铁塔的不平衡张力,分析了铁塔的最大压应力随覆冰厚度的变化,指出了档距差和高差角过大是产生不平衡张力的主要原因,而不平衡张力致使铁塔失稳。复沙Ⅰ线500 kV输电线路的实例计算表明该方法非常有效。

地下结构抗震计算中拟静力法的地震荷载施加方法研究

分析了地下结构横截面抗震设计中常用的拟静力计算方法的误差来源。从地震时一维土层反应应力入手,对拟静力法中有限元反应加速度法的地震荷载加载方法进行改进,提出了有限元反应应力法。对某给定地质条件下的浅埋箱型地铁车站结构,用有限元反应应力法﹑反应位移法﹑有限元反应加速度法和有限元动力反应分析进行了对比计算。结果表明:有限元反应应力法最接近有限元动力分析结果,是一个精度较高的实用性很强的拟静力计算方法。

基于一种新单元的分裂导线静力响应有限元求解

针对导线运动的小应变和小转角特点 ,结合间隔棒对导线的约束关系 ,推导建立了单元刚度矩阵。应用获得的公式体系对实际大跨越分裂导线进行了静力响应计算 ,提出了分裂导线的一种新型有限元模型 ,与实测结果比较 ,本文的方法和结果可靠。

1.2m望远镜风载作用分析

风载是影响地基大口径光电望远镜性能的重要因素之一,其作用会直接影响主次镜面型精度,引起望远镜指向误差,从而降低其成像精度和跟踪性能。为了研究风载对望远镜的影响程度,介绍了风载的概念,建立了风压力谱的数学模型。借助有限元法,建立了1.2 m望远镜系统的有限元模型,分析了主镜在静态风载压力下的面型变化,以及望远镜系统在动态风载作用下的随机响应情况。计算出风载引起主镜镜面变形RMS值为0.65 nm,跟踪指向误差RMS值为0.015 6″。结果表明:风载影响在精度允许范围之内。

强台风下高压输电线路塔—线耦联体系的力学行为仿真分析一:静力响应分析

针对高压输电线路在强台风气象下频繁出现风灾事故的现状,提出了系统进行塔-线耦联体力学模型和行为仿真研究的工程需求。文中以曾经出现严重风灾事故的广东某220 kV输电线路为研究对象,在ANSYS有限元开发环境下,建立了接近现场运行的三基塔两回线塔—线耦联体系有限元模型。在设计风速下,进行了0°、45°、60°、90°风向角时耦联模型静力响应分析,并将铁塔静力响应结果与拟静力计算结果进行对比。研究发现,考虑塔—线耦联影响后,铁塔位移较规范拟静力分析有所增大,增大幅度不超过3%,但单元最大轴向应力较拟静力分析增加显著。总体结论表明现行铁塔抗风设计方法存在一定局限性,在强台风区域中的具体应用有待进一步改进。

同塔并架4回输电线路相导线排列方式研究

为研究相导线的排列方式,利用二维静电场有限元模型计算了500 kV同塔并架4回输电线路导线表面和线下距离地面1 m处电场强度,讨论了模型内、外边界长度的选取,对比几种典型相导线排列方式时导线最大平均场强、线路下地面上1 m处最大场强和线路走廊宽度的结果表明,相导线完全逆序不对称排列的方式较好。

办公设备用纸力学特性的非线性有限元分析

为了改善办公设备送纸机构的设计 ,从根本上消除办公设备使用过程中常见的卡纸故障 ,采用非线性有限元方法对纸张的力学特性进行了研究 .基于修正的拉格朗日描述 ,系统推导了三角形平面壳单元用于几何非线性问题分析时的增量平衡方程 .在此基础上 ,分析了纸张在悬臂状态及自重作用下的横向静变形及无阻尼动态响应 .将研究分析结果与实验结果及国际商用有限元软件MARC的分析结果进行了比较 ,发现研究分析结果比MARK的分析结果更接近实验结果 ,证明对纸张静、动态力学特性的研究方法是非常有效的 ,研究结果能够为办公设备送纸机构的合理设计提供科学的依据 .

反应位移法中弹簧系数求解方法改进研究

采用反应位移法进行地下结构抗震计算时,关键是确定土体的弹簧系数,弹簧系数的取值直接影响计算结果。在现有的静力有限元求解弹簧系数方法的基础上,通过不同的施力方式共设计了6种静力有限元求解弹簧弹簧系数的方法,并对这6种计算方法进行对比分析计算。结果表明,整体和整体同时求解径向和切向弹簧系数这两种方法的计算结果偏于危险;单独和单独同时求解水平和垂直向弹簧系数这两种方法的计算精度最好;整体和整体同时求解水平和垂直向弹簧系数这两种方法的计算结果偏于安全。

安装防振锤的分裂导线自由振动的有限元计算

提出了大跨越分裂导线的一种新型三维有限元模型,它可以直接处理安装防振锤的子导线。针对导线运动的小应变和小转角特点,结合间隔棒对导线的约束关系,推导建立了单元质量和刚度矩阵。应用获得的公式体系对实际大跨越分裂导线进行了自由振动计算,与实测结果比较,表明本文的方法和结果可靠、有效。

强台风下高压输电线路塔-线耦联体系的力学行为仿真分析三：动静力响应对比

高压输电线路风致倒塔事故是近年来影响电力系统安全运行的重要因素。文中以南方电网某220 kV输电线路为背景,考虑铁塔和导、地线之间的耦联影响,运用ANSYS有限元分析软件,建立直线段塔线耦联三基塔两回线模型,对模型分别施加设计风速下的风载荷与时变风载荷,对比模型在两种情况下的静动力位移、应力响应数值差异,分析表明塔—线体系中铁塔的x、z向动力响应位移明显大于静力响应位移,铁塔部分主材轴应力与静力响应数值相比明显增大。研究结果可用于输电线路在风载荷作用下的可靠性分析。

安装失谐摆的大跨越分裂导线自由振动计算

安装了失谐摆的大跨越分裂导线振动特性的准确计算对于舞动分析和防舞设计有重要意义。文中基于子导线总位移的控制微分方程,推导得到子导线段自由振动的控制微分方程。针对导线运动的小应变和小转角特点,提出了大跨越分裂导线的一种新型三维有限元模型,它可以直接处理间隔棒上安装了失谐摆的情况。结合间隔棒对导线的约束关系,推导建立了单元质量和刚度矩阵。应用获得的公式体系对实际大跨越分裂导线进行了自由振动计算, 注意到系统有丰富的侧向摆动模态。计算结果与实测结果的比较表明文中所用方法能有效应用于多档连续大跨越导线的动力特性的分析计算。

基于响应面方法的桥梁静动力有限元模型修正

提出了一种基于响应面方法的桥梁静动力有限元模型修正技术,并成功地应用到了常德市白马湖公园虹桥的有限元模型修正当中。利用结构静载位移和振动频率等现场实测静动力响应,构造联合静动力的结构有限元模型修正的目标函数,在相关指标灵敏度分析的基础上筛选待修正参数,并利用响应面方法拟合桥梁静动力响应的代理模型。最后利用响应面替代模型(Meta-model)对该桥进行有限元模型修正,使得桥梁响应的实测值与计算值达到较好的吻合程度,经过修正后的有限元模型能够反映该斜拉桥的静动力特性,可以作为该桥的基准有限元模型。

公铁两用隧道动态响应并行计算分析

具有复杂结构和多种用途的隧道正受到广泛运用。为分析隧道结构在多种载荷下的响应特性,在LS-DYNA环境下,建立列车-隧道-土体的动力耦合三维有限元计算模型,采用基于负载均衡的并行计算技术,解决该大规模非线性有限元模型的求解难题。结果表明:运用动力松弛法加载静应力场可以取得较好的效果;加载静应力场时,隧道与土体接触计算更准确,且应力响应分布规律不同;列车及公路车辆载荷的影响远大于轨道不平度的影响,隧道衬砌在公路车道准静态载荷下的垂向位移约1.15 mm,在列车动载荷作用引起的垂向位移峰值约0.8 mm;基于接触负载均衡的并行计算方法提高约15%的计算效率,而对于CPU数量的选择,需要综合考虑模型的规模和空间拓扑结构。

基于响应面方法的汽轮机叶片静动频概率设计及敏感性分析

考虑随机因素的影响,对叶片的固有振动特性进行概率分析和设计是叶片动强度可靠性设计的基础。文中以某试验台用汽轮机等直叶片为研究对象,考虑几何参数(包括长度、宽度、厚度)、材料参数(弹性模量,密度)和转速的随机性,通过有限元参数化建模。将确定性有限元方法(FEM)、响应面方法(RSM)和Monte-Carlo模拟法相结合,从而获得了叶片静频、动频的统计特性和累积分布函数;同时考虑随机变量的梯度和离散范围对静、动频的影响,通过概率敏感性分析,定量地判断出叶片静、动频对随机输入变量的敏感性;通过绘制叶片静、动频与输入变量的散点图,定量地分析了如何改变随机变量以调整静、动频率的方法。计算结果表明,FEM-RSM-Monte Carlo方法计算量小,速度快,拟合精度高,是叶片动强度可靠性分析的可选方法。